FSAE賽車(chē)踏板總成的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王崢明

（武漢理工大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，湖北 武漢430070）

1 引言

在汽車(chē)?yán)碚撝?，?chē)輛越輕，其整體性能與經(jīng)濟(jì)性會(huì)越好[1]；但同時(shí)不能忽略了部件的強(qiáng)度與人機(jī)工程的需要。在大學(xué)生方程式賽車(chē)的設(shè)計(jì)中，每一個(gè)部件都應(yīng)充分考慮強(qiáng)度、人機(jī)工程和輕量化。一套好的踏板總成，可以使得車(chē)手在駕駛賽車(chē)時(shí)更加輕松，可以調(diào)節(jié)踏板位置的機(jī)構(gòu)，滿(mǎn)足了不同身材車(chē)手的需求，同時(shí)利用軟件優(yōu)化結(jié)構(gòu)，可以讓踏板為整車(chē)輕量化作出貢獻(xiàn)。

2 相關(guān)背景

2.1 大賽簡(jiǎn)介

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽（下簡(jiǎn)稱(chēng)“FSAE”）是中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)及其合作會(huì)員單位，在學(xué)習(xí)和總結(jié)美、日、德等國(guó)家相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)國(guó)情，精心打造的一項(xiàng)全新賽事。

FSAE 活動(dòng)由各高等院校汽車(chē)工程或與汽車(chē)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的在校學(xué)生組隊(duì)參加。FSAE 要求各參賽隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車(chē)制造標(biāo)準(zhǔn)，自行設(shè)計(jì)和制造方程式類(lèi)型的小型單人座休閑賽車(chē)，并攜該車(chē)參加全部或部分賽事環(huán)節(jié)。比賽過(guò)程中，參賽隊(duì)不僅要闡述設(shè)計(jì)理念，還要由評(píng)審裁判對(duì)該車(chē)進(jìn)行若干項(xiàng)性能測(cè)試項(xiàng)目。

在比賽過(guò)程中，參賽隊(duì)員能充分將所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐中。同時(shí)，還學(xué)習(xí)到組織管理、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、物流運(yùn)輸、賽車(chē)運(yùn)動(dòng)等多方面知識(shí)，培養(yǎng)了良好的人際溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，成為符合社會(huì)需求的全面人才。

2.2 設(shè)計(jì)背景

武漢理工大學(xué)WUT 車(chē)隊(duì)往年的賽車(chē)上，并未對(duì)踏板進(jìn)行過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中含有很多冗余的結(jié)構(gòu)，增加了整個(gè)部件的質(zhì)量，且關(guān)鍵位置的強(qiáng)度不足，在練車(chē)過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)踏板底板斷裂的情況。

同時(shí)在歷屆的賽事中，WUT 車(chē)隊(duì)的踏板設(shè)計(jì)未曾將人機(jī)工程考慮在設(shè)計(jì)過(guò)程之中，而在賽事答辯過(guò)程中，其中有30 分為人機(jī)工程分?jǐn)?shù)，人機(jī)工程不僅使得車(chē)手有更好的駕駛體驗(yàn)，同時(shí)有利于車(chē)隊(duì)在靜態(tài)項(xiàng)目中獲得更好的成績(jī)。規(guī)則中的人機(jī)工程項(xiàng)目主體分為3 個(gè)要求，分別為：賽車(chē)是否滿(mǎn)足不同體型的人？操控及儀表是否滿(mǎn)足便捷？能否超越安全性要求？

3 設(shè)計(jì)方案與選型

3.1 主缸布置形式

主缸的布置形式有前置式、后置式和立式，前置式有建構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸方便的特點(diǎn)，但伸出車(chē)頭的部分過(guò)長(zhǎng)，一定程度上影響了賽車(chē)的靈活性；后置式主缸外觀美觀，節(jié)約空間，但布置的方式較為復(fù)雜，制動(dòng)力的調(diào)節(jié)較為復(fù)雜；立式主缸有節(jié)約空間、安裝方便等特點(diǎn)，但主要難度在于踏板桿與主缸體的匹配。巴哈后置式主缸如圖1 所示。立式主缸如圖2 所示。

圖1 巴哈后置式主缸

圖2 立式主缸

WUT 車(chē)隊(duì)2020 賽季賽車(chē)最終決定采用立式主缸，兩主缸的限位方式上存在挑戰(zhàn)，限位夾具易與超程開(kāi)關(guān)發(fā)生干涉。

3.2 油門(mén)拉線(xiàn)固定形式

大學(xué)生方程式車(chē)隊(duì)大部分采用拉線(xiàn)式油門(mén)，少部分采用電子節(jié)氣門(mén)，考慮到技術(shù)、成本與可靠性的問(wèn)題，選用拉線(xiàn)式節(jié)氣門(mén)，拉線(xiàn)式油門(mén)在踏板位置主要有3 種形式，分別為支架式、連桿式和底部滑塊式。最終采取支架式，即將油門(mén)拉線(xiàn)支架連到油門(mén)加速軸上。

支架式油門(mén)拉線(xiàn)易于操作裝配和檢查，支架上拉線(xiàn)與固定孔存在一定的偏離角度，但完全可以通過(guò)調(diào)節(jié)支架的固定位置來(lái)避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，改進(jìn)了之前的不足。而滑塊式油門(mén)拉線(xiàn)位于踏板底部，減少了使用空間，減少部分裝置。但這種形式仍存在缺點(diǎn)，如會(huì)產(chǎn)生不順滑、略卡頓的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)與加工誤差更是可能會(huì)導(dǎo)致桿件卡死。連桿式油門(mén)拉線(xiàn)需要將加速踏板桿做到邊緣處，增大踏板總成的質(zhì)量，優(yōu)點(diǎn)不比支架式油門(mén)拉線(xiàn)。綜上，決定選用支架式油門(mén)拉線(xiàn)[2]。

3.3 踏板面的形式

本賽季踏板采用包腳式，即腳托采用全包式，踏板采用包腳式。由于賽車(chē)運(yùn)動(dòng)的激烈性，腳尖需橫向固定，以防止車(chē)手在過(guò)彎過(guò)程中雙腳脫離踏板。這樣的設(shè)計(jì)可以使得車(chē)手操控踏板更加精準(zhǔn)。重新設(shè)計(jì)的腳托結(jié)構(gòu)使其不會(huì)被踩壞。半包式腳托如圖3 所示。全包式腳托如圖4 所示。

圖3 半包式腳托

圖4 全包式腳托

踏板面材料用碳纖維，降低了質(zhì)量，同時(shí)碳纖維材料在保養(yǎng)方面優(yōu)于鋼材，不易生銹。

3.4 加速踏板形式

加速踏板主要有兩種形式：懸掛式和地板式（風(fēng)琴式），地板式有控制精準(zhǔn)、更符合人機(jī)工程學(xué)等方面的優(yōu)勢(shì)。

最終采用方案：加速踏板桿和轉(zhuǎn)動(dòng)軸采用螺栓螺母的形式固定，油門(mén)拉線(xiàn)支架與加速踏板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸焊接在一起，保證了聯(lián)動(dòng)。油門(mén)拉線(xiàn)通過(guò)帶孔螺栓緊固，同時(shí)可以調(diào)節(jié)油門(mén)拉線(xiàn)的撓度，調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)的打開(kāi)程度，油門(mén)踏板處的軸承座在網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)，用螺栓螺母與底板固定。

4 踏板的人機(jī)工程

踏板和腳托位置的確定必須要符合人機(jī)工程學(xué)，否則極易影響車(chē)手的正常發(fā)揮。其中，腳托的固定位置不能離踏板桿太近，否則不能充分發(fā)揮腳托的作用，踏板高度要合適，要兼顧不同車(chē)手腳部的不同尺寸，同時(shí)踏板行程及初始角度也是要考慮的重要問(wèn)題，不能出現(xiàn)車(chē)手無(wú)法將油門(mén)剎車(chē)踩到底的狀況[3]。人機(jī)工程實(shí)驗(yàn)臺(tái)架如圖5 所示。

2019 賽季賽車(chē)踏板的初始位置為豎直角度，并且加速和制動(dòng)踏板都十分靈敏，稍稍觸碰便會(huì)觸發(fā)相應(yīng)效果，因此車(chē)手在駕駛時(shí)腳部必須注意，2020年將踏板初始位置設(shè)計(jì)為向后傾斜一定角度，以防車(chē)手誤觸。踏板數(shù)據(jù)如表1 所示。測(cè)量所得的人機(jī)數(shù)據(jù)如表2 所示。

圖5 人機(jī)工程實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

表1 踏板數(shù)據(jù)示意圖

表2 測(cè)量所得的人機(jī)數(shù)據(jù)

5 制動(dòng)力公式計(jì)算

參考表3WUT2020 賽季賽車(chē)基本參數(shù)。

表3 賽車(chē)主要參數(shù)

汽車(chē)靜止時(shí)前后軸荷是平衡的，法向反作用力是均衡分布的。但在制動(dòng)過(guò)程中，由于汽車(chē)慣性力的作用，軸間的載荷會(huì)重新分配。在制動(dòng)過(guò)程中，汽車(chē)受慣性影響向前沖，前輪負(fù)荷大幅度增大，后輪載荷大幅度減少。要實(shí)現(xiàn)較短的制動(dòng)距離或較大的制動(dòng)減速度，賽車(chē)的軸荷分配特別重要，應(yīng)大致為前后制動(dòng)器制動(dòng)力之比，才能得到峰值附著系數(shù)，制動(dòng)效果最好。設(shè)計(jì)靜態(tài)時(shí)的前后軸荷分配為45∶55，計(jì)算過(guò)程為：

式（1）（2）中：FZ1為地面對(duì)前軸的法向反作用力，F(xiàn)Z2為地面對(duì)后軸的法向反作用力。

前后輪同時(shí)抱死，保證了賽車(chē)的方向穩(wěn)定性和操作穩(wěn)定性。前后輪同時(shí)抱死的條件是：在不同行駛條件的路面，前后輪的附著力分別等于制動(dòng)器制動(dòng)力，且附著力之和等于制動(dòng)器制動(dòng)力之和。即賽車(chē)前后輪處于理想制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線(xiàn)。用符號(hào)β 表示前輪制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)力Fu1和總制動(dòng)力Fu之比，在賽道上，當(dāng)賽車(chē)的前后制動(dòng)器制動(dòng)力各等于地面對(duì)的附著力，且總和等于地面對(duì)賽車(chē)的最大附著力，即前后輪制動(dòng)時(shí)滿(mǎn)足理想制動(dòng)力分配曲線(xiàn)，這時(shí)賽車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)前后輪同時(shí)抱死[4]。公式為：

式（3）中：Fu1為前制動(dòng)器制動(dòng)力，前軸兩輪制動(dòng)器制動(dòng)力之和的最小值。

式（4）中：Fu2為后制動(dòng)器制動(dòng)力，后軸兩輪制動(dòng)器制動(dòng)力之和的最小值。

則Fu1+Fu2為賽車(chē)總制動(dòng)器制動(dòng)力。

考慮熱衰退，則Fu1/Fu2=β（1-β）。

前軸單側(cè)車(chē)輪制動(dòng)器需產(chǎn)生的制動(dòng)力矩：Tf1′=Fu1/70%×D/1 000/4。

后軸單側(cè)車(chē)輪制動(dòng)器需產(chǎn)生的制動(dòng)力矩：Tf2′=Fu2/70%×D/1 000/4。

前軸單個(gè)車(chē)輪單側(cè)摩擦襯塊在制動(dòng)盤(pán)上需產(chǎn)生的摩擦力等于：Tf1′/前輪制動(dòng)盤(pán)有效半徑Re×1 000/2。后軸單個(gè)車(chē)輪單側(cè)摩擦襯塊在制動(dòng)盤(pán)上需產(chǎn)生的摩擦力等于：Tf2′/后輪制動(dòng)盤(pán)有效半徑Re×1 000/2。

前軸單個(gè)車(chē)輪單側(cè)襯塊所需的最小壓緊力F01等于前軸單個(gè)車(chē)輪單側(cè)摩擦襯塊在制動(dòng)盤(pán)上需產(chǎn)生的摩擦力/摩擦系數(shù)f。后軸單個(gè)車(chē)輪單側(cè)襯塊所需的最小壓緊力F02等于后軸單個(gè)車(chē)輪單側(cè)摩擦襯塊在制動(dòng)盤(pán)上需產(chǎn)生的摩擦力/摩擦系數(shù)f（摩擦系數(shù)取0.3～0.35）。

前輪抱死所需最小制動(dòng)液壓力等于：

式（5）中：l 為前軸單個(gè)車(chē)輪輪缸單側(cè)活塞數(shù)。

后輪抱死所需最小制動(dòng)液壓力等于：

式（6）中：l 為后軸單個(gè)車(chē)輪輪缸單側(cè)活塞數(shù)。

前輪主缸推桿所需的最小作用力等于π×（d012），前輪抱死所需最小制動(dòng)液壓力/4。后輪主缸推桿所需的最小作用力等于π×（d022），后輪抱死所需最小制動(dòng)液壓力/4。

踏板作用給平衡桿的力=（前輪主缸推桿所需的最小作用力+后輪主缸推桿所需的最小作用力）×0.144 8。

平衡桿調(diào)節(jié)比例=前輪主缸推桿所需的最小作用力/后輪主缸推桿所需的最小作用力。

控制前輪的制動(dòng)主缸行程：S01=4×前軸單個(gè)車(chē)輪輪缸單側(cè)活塞數(shù)×（d12）/（d012）×0.8 （7）式（7）中：0.8 為制動(dòng)襯塊與制動(dòng)盤(pán)面單側(cè)間隙。

控制后輪的制動(dòng)主缸行程：

S02=4×后軸單個(gè)車(chē)輪輪缸單側(cè)活塞數(shù)×（d22）/（d022）×0.8 （8）

主缸空行程1.5 mm，制動(dòng)踏板和主缸傳動(dòng)效率η=0.98，制動(dòng)踏板傳動(dòng)比1.65，考慮到主缸中推桿與活塞之間的間隙1.5，抱死時(shí)所需的最小制動(dòng)踏板力為：Fp=踏板作用給平衡桿的力/（制動(dòng)踏板傳動(dòng)比×制動(dòng)踏板和主缸傳動(dòng)效率η）。

制動(dòng)襯塊移動(dòng)至與制動(dòng)盤(pán)面接觸過(guò)程的踏板行程=制動(dòng)踏板傳動(dòng)比×（主缸空行程+考慮到主缸中推桿與活塞之間的間隙）[4]?？ㄣQ直徑數(shù)據(jù)如表4 所示。制動(dòng)力隨附著力的變化如表5 所示。計(jì)算所得數(shù)據(jù)如表6 所示。

表4 卡鉗直徑數(shù)據(jù)

表5 制動(dòng)力隨附著力的變化

6 踏板模型的建立

利用CATIA 軟件建立模型，基于前幾屆賽車(chē)的踏板的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。

對(duì)于腳托，車(chē)手在操控賽車(chē)時(shí)，在彎道前重剎時(shí)對(duì)于制動(dòng)踏板的踩踏力度非常大，因此，制動(dòng)踏板腳托的設(shè)計(jì)要充分考慮強(qiáng)度，在往屆的賽車(chē)中，就出現(xiàn)了制動(dòng)踏板腳托被踩踏斷裂的狀況，因此本賽季重新設(shè)計(jì)了腳托的形狀，采用半圓形包腳設(shè)計(jì)，更有利于車(chē)手腳部的定位，且結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，不容易被踩裂。依據(jù)上文所述的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了踏板總成的總成。踏板總成模型如圖6 所示。

7 踏板的有限元靜力學(xué)分析

7.1 設(shè)置底板材料

考慮到成本與質(zhì)量，踏板底座采用7075 鋁合金材質(zhì)。鋁材性能參數(shù)如表7 所示。

表6 計(jì)算所得數(shù)據(jù)

圖6 踏板總成模型渲染圖

表7 鋁材性能參數(shù)

7.2 設(shè)置底板受力

底板主缸固定孔受到的力為1 005 N，602.99 N 制動(dòng)踏板桿受到的力為500 N，對(duì)底板施加載荷，B 點(diǎn)、C 點(diǎn)、D點(diǎn)、E 點(diǎn)為主缸固定孔；F 點(diǎn)、G 點(diǎn)為制動(dòng)踏板桿固定孔。踏板受力設(shè)置如圖7 所示。

圖7 踏板受力設(shè)置

根據(jù)踏板的極限工況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化，本分析主要參考3 個(gè)變量：等效形變、等效應(yīng)力、安全系數(shù)。第一版設(shè)計(jì)形變量分析結(jié)果如圖8 所示。

圖8 第一版設(shè)計(jì)形變量分析結(jié)果

7.3 分析與優(yōu)化

第一版設(shè)計(jì)分析后，發(fā)現(xiàn)有局部受力變形過(guò)大現(xiàn)象，且有部分結(jié)構(gòu)是冗余的，不受力，可以去除。根據(jù)這一結(jié)果，進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的安全等級(jí)分析結(jié)果如圖9 所示。

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)的在強(qiáng)度上滿(mǎn)足需求，強(qiáng)度等級(jí)與最大型變量都在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，但仍存在圖10 所示的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)細(xì)節(jié)應(yīng)做進(jìn)一步優(yōu)化[5]。

如圖11 所示，經(jīng)過(guò)在打孔處倒圓角處理后，應(yīng)力集中現(xiàn)象消失，整體強(qiáng)度完全滿(mǎn)足要求，經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算，整體的質(zhì)量為0.48 kg，數(shù)值較上一賽季的踏板底座有大幅度降低，完成了輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。優(yōu)化后的踏板參數(shù)如圖12 所示。

8 總結(jié)

通過(guò)公式計(jì)算、軟件仿真與人機(jī)工程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，最終團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一個(gè)滿(mǎn)足大學(xué)生方程式大賽標(biāo)準(zhǔn)的踏板總成，加速踏板與制動(dòng)踏板是車(chē)手控制車(chē)輛的直接媒介，其強(qiáng)度與耐久性至關(guān)重要，同時(shí)部件的質(zhì)量與使用舒適性也影響這整臺(tái)賽車(chē)的成績(jī)，采用ANSYS 靜力學(xué)仿真模塊，在受力位置直接施加響應(yīng)的力，直觀地得到強(qiáng)度等級(jí)。同時(shí)利用鋁型材搭建人機(jī)工程臺(tái)架，使設(shè)計(jì)完全符合車(chē)手的身材。是一種非常完善的踏板總成設(shè)計(jì)流程。賽車(chē)成品如圖13 所示。

圖9 優(yōu)化后的安全等級(jí)分析結(jié)果

圖10 局部應(yīng)力集中展示

圖11 應(yīng)力集中解決辦法展示

圖12 優(yōu)化后的踏板參數(shù)

圖13 賽車(chē)成品展示

WUT 車(chē)隊(duì)在2020 賽季的大學(xué)生方程式大賽中取得二等獎(jiǎng)，這其中與各個(gè)部件強(qiáng)度與輕量化的保證有很大的關(guān)系，同時(shí)更優(yōu)異的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，使得賽車(chē)在靜態(tài)賽與動(dòng)態(tài)賽中都取得了更佳的成績(jī)。